Сегодня наноразработки ведутся почти во всех отраслях промышленности. Основные сферы деятельности, наиболее активно потребляющие нанопродукцию, – охрана окружающей среды, электроника и энергетика. Как считают западные эксперты, российский рынок нанотехнологий пока находится лишь на начальном этапе формирования. По данным агентства маркетинговых исследований Research.Techart, на текущий момент доля России в общемировом технологическом секторе составляет около 0,3 процента, а на рынке нанотехнологий – 0,04 процента. В прошлом году российские ученые получили всего 30 нанотехнологических патентов, таким образом, удельный вес российских изобретений составил менее 0,2 процента. По подсчетам Организации экономического сотрудничества и развития, в 2008 году доля патентов из России в нанотехнологиях составила 0,5 процента, но очевидно, что разница в цифрах непринципиальна. Вывод делается неутешительный: на современном этапе Россия значительно отстает от мировых лидеров в области нанотехнологий – США, Японии и ЕС как по показателям развития НИОКР, так и по коммерциализации изобретений. Тем не менее открытия есть, но зачастую новые конкурентоспособные технологии гораздо быстрее доводятся до промышленного производства за границей, чем на родине разработчиков. Отставание производства от научного потенциала – одна из главных проблем, о которых говорят наши ученые. Наноалмазы и другие углеродные материалы Ученые петербургского Физико-технического института (ФТИ) им. А. Ф. Иоффе еще в 1990‑х годах стояли у истоков государственной программы разработки наноуглерода. За последующие годы было создано и эффективно работающее сообщество российских ученых, работающих в этой области. В перспективе материалы, над которыми они трудятся, могут занять столь же обширную нишу рынка, что и традиционные углеродные материалы – графит и алмаз. В мире уже появились такие коммерческие продукты, прежде всего суперконденсаторы и композитные материалы на основе углеродных нанотруб, лекарственные биопрепараты на основе фуллеренов – такие, например, как популярные сейчас в Японии мази против морщин. США и Япония активно разрабатывают фуллерен-полимерные композиции для солнечных элементов. Их КПД уже превысил уровень 6 процентов, что говорит о возможности их дальнейшего применения, а конечная цель – создание гибких солнечных элементов большой площади. Теплоотводы для интегральных схем на основе упорядоченных массивов углеродных нанотруб, превзойдя по теплопроводности алмаз, были признаны на сегодня лучшими. Этим направлением наиболее активно также занимаются ученые Страны восходящего солнца. Отечественной науке конкурировать с Японией трудно. Технология углеродных нанотруб может быть развита только при наличии хороших методов диагностики материалов, которых в России долгое время не было. По мнению самих ученых, чтобы не распылять понапрасну силы, необходимо сосредоточиться на разработке материалов, открытых в России и приоритет открытия которых признается всем миром за нашими учеными. Среди них – детонационные наноалмазы, нанопористый углерод, расширенный графит. Детонационные наноалмазы – достижение еще советской науки. Долгое время новый материал оставался засекреченным, и лишь в 1988 году появилась первая научная публикация о нем. Было налажено промышленное производство. Основным сырьем для наноалмазов являются мощные взрывчатые вещества. Суть производства заключается в использовании сильных температур и давления на фронте ударной волны, и в результате из углерода, содержащегося в самих взрывчатых веществах, возникают алмазы. Кристаллы получаются очень маленькие, но их содержание довольно высоко – до 60 процентов. Самое сложное во всем процессе – отделить алмазы от образовавшейся шихты, которая, кстати, сама по себе является весьма ценным продуктом. В частности, ее используют в качестве наполнителя шин, и эта российская технология уже применяется таким образом в Турции, Болгарии и Китае. Сфер применения самих наноалмазов очень много. Например, гальваника. Если ввести в гальваническую ванну кристаллы алмазов, то улучшаются механические параметры покрытия. Хромалмазные покрытия используются для нанесения на детали погружных нефтяных насосов. Обычный срок работы такого насоса – 3 месяца. Нанопокрытие увеличивает срок его службы втрое. Как показали испытания в Германии, износостойкость хромового наноуглеродного покрытия превышает износостойкость обычных хромовых покрытий в 5,7 раза при толщине, меньшей на 30 процентов. Прочие сферы применения детонационных наноалмазов – использование их в смазках, при обработке поверхностей, при производстве ряда полимеров и стройматериалов, в полимер-алмазных напылениях, в медицине, биологии и в водородной энергетике. Другой российский бренд – нанопористый углерод – был разработан в Санкт-Петербургском технологическом институте. При высокотемпературном процессе хлорирования карбида вымывается его металлическая часть, остающийся углерод перестраивается и образует нанопористый материал с пористостью, зависящей от параметров процесса. Такой углерод активно применяется в качестве активного материала в суперконденсаторах – ионисторах. Как известно из школьного курса физики, чтобы увеличить емкость конденсатора, достаточно взять пластины большей площади и уменьшить расстояние между ними. Но емкость конденсаторов обычного размера невелика и исчисляется чаще всего в микрофарадах. Когда удалось создать нанопористый материал, который имеет удельную поверхность до 2000 квадратных метров на грамм, получился суперконденсатор емкостью… например, 5000 фарад! При этом сам конденсатор получается размером с небольшой стакан. В настоящее время надежность и технический уровень ионисторов таковы, что на их основе создается гоночный электромобиль для гонок «Формулы-1». Рост производства и применения суперконденсаторов сейчас превышает аналогичные показатели для других типов источников тока. Однако возможность роста отечественного производства ионисторов ограничена отсутствием отечественного производства нанопористых углеродных материалов. В настоящее время имеется лишь лабораторная технология. По данным ФТИ им. Иоффе, производство этого материала в нашей стране составляет менее 100 граммов в год. Еще одна нанотехнология ФТИ связана с фуллеренами. Речь идет о трековых мембранах. Если полимерную пленку облучить потоком ионов, то останутся следы – треки. После их химического травления образуются поры диаметром 0,1‑10 микрометров. Такие материалы применяются в качестве фильтров в системах очистки крови. Эти и другие разработки производятся в сотрудничестве с потенциальными производителями, все авторские права на открытия защищены. Однако, как отмечают сами ученые, если помедлить с выпуском этой, придуманной в России, продукции, то уже через несколько лет пробиться с ней на рынок будет практически невозможно. От лазеров до светодиодов В стенах ФТИ развивается немало направлений с приставкой «нано», и еще одно из них – электронные приборы на основе наногетероструктур. Лазеры на наногетероструктурах каждый из нас регулярно использует в своей повседневной жизни: без этих устройств невозможны Интернет, CD, DVD и другие технологии цифровой записи, передачи, считывания и хранения информации. Как известно, свет лазера не обязательно красный, он может иметь и другие цвета спектра. Например, лазеры синего диапазона доведены до промышленного производства в Японии и используются в blue-ray проигрывателях. Однако ни нашим, ни зарубежным ученым пока не удалось сдвинуться ни в зеленую, ни в ультрафиолетовую область спектра, а это могло бы открыть совершенно новые области применения лазеров. В ФТИ ведется разработка зеленых лазеров на основе наногетероструктур, которых с нетерпением ждут военные. Фемтосекундный лазер – еще одна тема, над которой трудятся ученые ФТИ. Он незаменим для экологической и медицинской диагностики, анализаторов газов и жидкостей. С помощью таких лазеров, например, проводится коррекция зрения и пересадка роговицы. Самая массовая область применения оптоэлектроники – светодиоды. Еще в 2007 году их рынок оценивался в 5 миллиардов долларов. Такой прорыв был бы невозможен без развития нанотехнологий. Светодиоды применяются в дисплеях и индикаторах, в охранных системах и медицине, а сейчас разворачивается такая массовая их сфера применения, как освещение. Подобные работы проводятся во всем мире. Это вызвано и высокой эффективностью светодиодов – энергопотребление уменьшается в несколько раз, высокой надежностью – светодиодные лампы могут работать десятки тысяч часов, экологической безопасностью. В ФТИ им. Иоффе также налажено производство малых серий светодиодов для спектрального анализа и экологического мониторинга. Еще одно перспективное направление работы петербургских ученых – солнечные фотопреобразователи. Это тандемные фотоприемники с концентраторами и эффективностью до 50 процентов. Они изготавливаются на основе нескольких материалов, которые захватывают и эффективно преобразуют разные части солнечного спектра. Стоят такие солнечные батареи существенно дороже, чем обычные кремниевые, однако они очень эффективно работают при концентрации солнечной энергии с помощью линзы. Эта технология позволяет сократить использование дорогого материала. В результате стоимость 1 ватта энергии, вырабатываемого такими элементами, составляет 1,5‑2 доллара США. – Все достижения современной полупроводниковой электроники базируются на применении технологии наногетероструктур, и разработки российских ученых в этой области находятся на мировом уровне, – считает руководитель Центра физики наногетероструктур ФТИ им. Иоффе Петр Копьев. – С другой стороны, развитие производства оптоэлектронных приборов на основе наногетероструктур существенно отстает как от существующего потенциала разработок, так и от потребностей рынка страны. Но имеющийся в стране задел позволяет рассчитывать на то, что наша промышленность окажется конкурентоспособной в области производства инжекционных лазеров высокой мощности, фемтосекундных лазеров, инжекционных источников излучения и освещения, а также солнечных фотопреобразователей. Лаборатория становится заводом Возможно, лучший способ в наших условиях заинтересовать потенциальных производителей новыми материалами – это начать выпускать их самим ученым. Во всяком случае, именно по этому пути решили пойти в Санкт-Петербургском институте ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей». Здесь занимаются как фундаментальными исследованиями, так и разработкой опытных технологий и их апробацией в промышленном производстве. На основе некоторых из них в институте налажено малотоннажное производство. Одно из основных направлений деятельности «Прометея» – создание металлических наноструктурированных материалов. Они предназначены для судостроения, атомной энергетики и топливно-энергетического комплекса. В первую очередь, это всевозможные стали и сплавы с наноструктурным упрочнением. Здесь разрабатываются технологии создания неразъемных соединений, то есть методов сварки новых материалов. В «Прометее» создаются наноматериалы для конструкционно-функциональных элементов, например, износостойкие и коррозионностойкие покрытия, магнитные защиты. Основную часть дальнейших работ в этих направлениях «Прометей» планирует перенести на научно-производственный комплекс в Гатчине под Санкт-Петербургом. Там будет производиться как отработка опытно-промышленных технологий, так и организация малотоннажного производства. В настоящее время в институте работают над созданием малоактивированных сталей, то есть сталей, которые имеют очень низкую активность и позволяют утилизировать материал атомных реакторов или трубопроводов по завершении срока работы. Подобные материалы не имеют аналогов. Разрабатываемые в «Прометее» технологии повышения коррозионной стойкости и износостойкости не только про-длевают срок службы изделий в несколько раз. Они позволяют существенно снизить содержание дорогостоящих легирующих элементов, перейти к энерго-сберегающим технологиям и в результате производить более дешевую продукцию с высокими характеристиками. Кроме работы над сталями, идут работы над наноструктурированием титановых и алюминиевых сплавов. Они найдут практическое применение при производстве ядерного топлива или при сварке металлов, которые невозможно соединить другим путем, что используется, например, в судостроении. Также титановые сплавы применяются в биоимплантантах. В рамках малотоннажного производства «Прометей» планирует выпускать в год до 25 тонн высокопрочных наноструктурированных и малолегированных сталей и изделий из них; более 600 тонн полуфабрикатов и изделий из наноструктурированных сплавов; более 2 тысяч тонн высокопрочных и наномодифицированных материалов и изделий, необходимых для сварочных технологий. Углепластик на суше и в море В «Прометее» не ограничиваются изучением металлов. Еще одно большое направление деятельности ученых института нацелено на создание новых полимерных наноматериалов. Антифрикционные углепластики применяются в крупногабаритных подшипниках скольжения, диаметр которых может доходить до метра. Обладая высокой прочностью, приближающейся по характеристикам к металлу, углепластики не нуждаются в масляной смазке. Но в последние годы ученые столкнулись с необходимостью повысить ресурс изделий и расширить круг металлов и материалов, с которым должен работать углепластик, например с титаном и коррозионностойкими сплавами. Удалось найти решение этой проблемы, в частности путем нанесения на углепластиковую поверхность антифрикционной нанопленки из фторопласта толщиной 100 нанометров. Вот как это выглядит на практике. Подшипники из углепластиков широко применяются в гидротурбиностроении. В крупной гидротурбине мощностью 150 МВт используется более 400 подшипников скольжения и уплотнений диаметром до 2,5 метра. Если раньше углепластики использовались лишь в 100 подшипниках, то наномодификация позволила расширить область применения углепластиков до 300‑400 подшипников на одной турбине. Полимерные материалы активно применяются для гашения вибрации работающего оборудования. Создание новых, наноструктурированных образцов позволило добиться снижения шума вибрации в три раза по сравнению с прежними материалами. Еще один вид полимерных материалов был разработан в связи с расширением добычи нефти и газа на арктическом шельфе. Суда ледового класса и ледоколы, буровые платформы и другие морские сооружения нуждаются в защите от коррозии в условиях жесткой ледовой обстановки. Кроме защитного покрытия, им необходима также электрохимическая защита. Ее главным рабочим элементом является разработанный в «Прометее» металлополимерный анод с покрытием из наноструктурированной платины. Диаметр такого анода около 1 метра. На одной только нефтедобывающей платформе «Приразломная» их необходимо поставить около 100 штук. На анод подается небольшое напряжение, судно или сооружение автоматически становится катодом, и это препятствует коррозионному процессу. К 2010 году планируется наладить малотоннажное производство нанокомпозитов для транспортного машиностроения, нефтегазового комплекса и энергетического машиностроения. В частности, «Прометей» собирается производить к этому времени в год до 30 тонн антифрикционных материалов для гидротурбин, судовых и других механизмов; 150 тонн вибропоглощающих материалов для применения на транспорте, мостах, трубопроводах и тоннелях; 100 нанотекстурированных анодов, предназначенных для коррозионной защиты морских сооружений, атомных ледоколов и буровых платформ. Источник: , № 14 (130) июль 2009 года/ |